PMI泡沫夾芯的真空熱成型工藝及應用性能研究

江超

摘 要：在制造泡沫塑料芯材過程中，多使用機械加工成型的方法，該方法材料利用率低、生產周期長、報廢率高且成本高。針對以上問題，分析研究了泡沫的熱成型性能，發展了一種泡沫塑料的熱成型工藝，制備出了符合要求的泡沫塑料芯材，有效的解決了原有泡沫成型中的諸多問題，具有很高的實用價值和經濟效益。

關鍵詞：PMI泡沫;真空熱成型;回彈控制;熱蠕變

1 引言

隨著戰斗機在性能上的不斷提高，復合材料夾層結構的使用也越來越廣泛，復合材料夾層結構采用先進復合材料蒙皮做面板，夾芯為輕質材料。聚甲基丙烯酰亞胺即PMI（polymethacrylimide）泡沫是一種性能優異的閉孔硬質泡沫[1]，其具有優良的絕熱性能和耐高低溫性能。PMI泡沫芯具有力學性能上各向同性，便于機械加工，與各類型樹脂兼容性好的特點，近年在高性能夾層結構芯材上得到大量應用。PMI泡沫主要有機械加工及熱成型兩種成型方式。泡沫塑料芯材制造多使用銑削加工成型方法，該方法材料利用率極低、生產周期長、報廢率高且成本高。尤其是當泡沫零件曲面較復雜且弦高較大時，材料利用率將低于10%，且加工難度很大，極易斷裂而引起零件報廢。因此，很有必要對泡沫芯材的熱成型工藝進行研究，以解決原有泡沫加工中的諸多問題。

2 泡沫熱成型工藝試驗

2.1試驗材料及設備

根據設計要求選用的泡沫材料ROHACELL 71 HF為依據，選擇與該材料性能接近但熱成型性更好的ROHACELL 71 WF硬質泡沫塑料作為試驗材料。ROHACELL是一種閉孔剛性發泡材料，用于輕質夾層結構聚甲基丙烯酰亞胺閉孔剛性泡沫（PMI），由德國德固賽公司生產，性能見表1[2]。

工藝試驗過程所需設備主要有烘箱、熱壓罐、真空泵和成型模具。成型模具選用某型號飛機某復雜外形的泡沫夾層結構件工裝，該零件貼模面為雙曲率、大弦高、波浪形復雜曲面，其中泡沫厚度18mm，曲面最大弦高接近200mm。如選擇銑削加工方法需要使用200mm厚的泡沫板，大約銑削2天時間，并且材料利用率低于10%，材料費用比熱成型所用等厚度板高10倍以上。如能用18mm等厚板通過熱成型實現零件制造，能大大節省制造成本、縮短加工周期，這將有效提高企業的生產效益，為企業帶來巨大的經濟效益。

2.2 關鍵工藝試驗過程

1）為研究18mm厚泡沫板在200℃、抽真空（壓力接近-0.1Mpa）、周圍壓邊的情況下的最大拉深深度，選擇了變曲率成型工裝（如圖2所示）進行了泡沫的成型性試驗。最終泡沫的最大成型深度接近200mm。在沒有壓邊和增加潤滑的情況下，最大拉深量完全可達到200mm。

2）PMI泡沫熱成型前把備好的泡沫塑料芯材放置于成型工裝中，使用真空袋封裝，當外壓在0.3MPa時的工藝參數曲線如圖3所示。

2.3 工藝試驗參數和變形過程

泡沫熱成型過程實際上是通過將泡沫加熱到一定溫度，以降低泡沫的屈服應力，進而激活材料塑性的一種工藝方法。依據工藝原理，實現泡沫熱成型的關鍵是選擇合適的成形溫度和加壓位置。同時，為提高零件的貼模度，有效控制泡沫的回彈變形也成為熱成型過程的關鍵。

泡沫的熱成型過程主要包括以下步驟：

1）泡沫干燥。在PMI泡沫熱成型前，將泡沫在空氣循環烘箱內，最少要在130℃下干燥3小時，要讓空氣能夠不停的循環，同時必須嚴格執行板材放置和控溫的要求，泡沫應在烘干后8小時內使用。

2）真空袋包裝。將泡沫放置在曲面成型模上，利用膠帶或定位銷對泡沫進行定位，泡沫表面放無孔膜和透氣氈，密封與真空袋中然后放入烘箱或熱壓罐。

3）加溫階段。經過2小時將烘箱溫度從室溫升到195～205℃，升溫速率要小于2℃/min，保溫時間為t，選擇時間t的選擇依據為：t=max（15+h，0.7～1mm/min），h為泡沫板厚。

4）壓力路徑。待泡沫保溫時間結束后，抽真空或加外壓成形，抽真空或加外壓的速度要適當放緩，以免造成泡沫斷裂。根據材料厚度，保壓15-25分鐘后開始降溫，但壓力一直保持到溫度降至60℃后才卸壓。

5）降溫階段。保壓完成后，烘箱溫度從200℃降至60℃，60℃后泡沫形狀基本穩定。溫度降溫速率是影響泡沫回彈的重要因素，降溫速率要小于0.5℃/min，如有條件應盡量延長降溫時間。

6）脫模。拆除真空袋，脫模前使用塞尺檢驗成型后零件的貼模度。取件后應用密封袋包裝，避免泡沫吸濕，放置于干燥、通風處備用。

依據以上主要步驟，通過熱成型18mm等厚度泡沫板，最終得到了制造（如圖1所示）零件所需要的泡沫芯材，泡沫貼胎度滿足使用要求。

3 PMI泡沫壓縮蠕變性能驗證

作為聚合物泡沫材料，具有一定的蠕變性能。所謂的蠕變性能是指材料在一定的溫度情況下，經過一定的時間，在特定壓力下發生的變形。例如復合材料在熱壓罐內的固化工藝過程。

熱成型后的泡沫質量必須經過質量一致性檢驗（入廠復驗）合格后才能投入實用。依據聚甲基丙烯酰亞胺閉孔剛性泡沫（PMI）塑料專業材料規范進行質量一致性驗證[4]，除壓縮蠕變外，其它檢驗性能參數全部合格。該類型泡沫夾層結構件在熱壓罐內的固化壓力為0.3MPa，固化溫度為180℃±5℃。為驗證熱成型后泡沫的壓縮蠕變性能，采用在熱壓罐內模擬夾層結構件的工藝環境方式，對18mm厚泡沫平板件進行壓縮蠕變性能試驗驗證。當外壓在0.3MPa時的工藝參數曲線如圖4所示。試驗完成后對泡沫各區域厚度進行測量，板厚無明顯變化，完全能夠滿足零件制造要求。

4 分析與結論

4.1研究了ROHACELL 71WF PMI泡沫熱成型的工藝過程，證明了該牌號泡沫熱成型工藝的可行性，并制造出了滿足使用要求的零件夾芯泡沫件。

4.2 PMI泡沫在200℃情況下，根據泡沫厚度保溫一定時間抽全真空或加外壓至少15分鐘后保壓降溫，脫模取件。將PMI泡沫板密封于真空袋加熱到200℃進行熱成型，簡化了加工工藝，縮短生產周期，降低材料成本，具有較高的實用價值和經濟效益。

4.3通過對熱成型后的ROHACELL 71 WF硬質泡沫進行壓縮蠕變試驗，泡沫的性能完全能夠滿足生產使用要求。

參考文獻：

[1] 楊洋，劉軍，盧鑫.固化壓力對PMI泡沫/高溫固化環氧碳纖維夾層復合材料膠接性能影響的研究[J].高科技纖維與應用，2012（1）：14-21.

[2] 胡培. ROHACELL?技術手冊， 德固賽中國控股有限公司上海分公司[Z]. 2007.8.31

[3] 蘇航，王翀，段正才，等. PMI泡沫的熱成型工藝研究及其應用分析[J].安徽化工，2018（1）：66-68.

[4] 西安第一飛機設計研究院. 聚甲基丙烯酰亞胺閉孔剛性泡沫塑料專業材料規范[C].材料標準， 2009.